不銹鋼薄板光纖激光切割優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

鄭 磊，張清萍

(濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

不銹鋼薄板光纖激光切割優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

鄭 磊，張清萍

(濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

激光切割是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。為了研究光纖激光對(duì)304不銹鋼薄板切割質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)切割指標(biāo)的影響規(guī)律，得到最優(yōu)切割工藝參數(shù)，本文利用光纖激光器對(duì)1mm、2mm、3mm厚度的304不銹鋼進(jìn)行了激光切割實(shí)驗(yàn)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、板材切割、數(shù)據(jù)采集、軟件分析等過(guò)程，利用三維曲面表達(dá)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明：掛渣量的多少主要取決于焦點(diǎn)與功率，且兩者都存在一個(gè)最佳范圍；切縫寬度的大小主要取決于板厚與功率；粗糙度的大小主要取決于功率和焦點(diǎn)，兩者也存在一個(gè)最佳范圍；條紋間距主要取決于氣壓和功率，最終得到切割3種不同厚度板材的最優(yōu)參數(shù)。

激光切割；304不銹鋼；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)；響應(yīng)曲面

激光作為20世紀(jì)的產(chǎn)物，與諸多偉大的發(fā)明一起成為舉世矚目的重大科研成就[1]。激光切割無(wú)論在硬件機(jī)床還是軟件切割工藝方面都在不斷完善。由于激光切割具有諸多優(yōu)勢(shì)，因而在板材加工方面替代了很多傳統(tǒng)加工方法[2]，而且目前激光切割市場(chǎng)旺盛，人們已接受這種新型、高效的加工方式，其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益已有目共睹[3]。陳聰?shù)热薣2]利用光纖激光切割機(jī)對(duì)AA6061鋁合金做了實(shí)驗(yàn)分析，得到激光功率是影響切割質(zhì)量的關(guān)鍵因素。Ove Olsen，F(xiàn)lemming[3]在CO2激光器切割2mm不銹鋼實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)切割速度0.6m/min，切割功率400W是毛刺最少的工藝參數(shù)。影響激光切割質(zhì)量的因素很多，主要有切割速度、切割功率、切割氣壓、焦點(diǎn)、噴嘴孔徑。切割指標(biāo)主要包括切縫寬度、粗糙度、熱影響區(qū)寬度、切面條紋、掛渣[4]。本文利用光纖激光切割機(jī)對(duì)304不銹鋼薄板進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，研究工藝參數(shù)對(duì)切割指標(biāo)的影響規(guī)律，并找出切割板材的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)利用武漢銳科RFL-C系列光纖激光器，并借助Design-expert軟件，通過(guò)響應(yīng)曲面法[5]找到設(shè)計(jì)最優(yōu)點(diǎn)。首先把切割指標(biāo)數(shù)量化，掛渣高度、粗糙度數(shù)值、切縫寬度以及條紋間距。Design-expert軟件是通過(guò)輸入各因素低水平到高水平自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)安排，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照順序填入軟件數(shù)據(jù)表中，計(jì)算可得到切割指標(biāo)和各參數(shù)之間的多元二階模型函數(shù)及最優(yōu)工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 切割參數(shù)分配

本實(shí)驗(yàn)需要考察的因素即為切割參數(shù)，分別為切割速度(m/min)、切割氣壓(Pa)、切割焦點(diǎn)(mm)、切割功率(W)。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中需要輸入各因素參數(shù)的高低水平即參數(shù)取值范圍，而且輸入的參數(shù)必須保證在最優(yōu)參數(shù)附近。由于板材厚度不同，各參數(shù)范圍是不同的。參數(shù)分布如表1所示。

表1 參數(shù)分配表

2.2 現(xiàn)場(chǎng)切割實(shí)驗(yàn)

分別采用500W，750W，1200W功率激光器對(duì)1mm、2mm、3mm厚度的304不銹鋼進(jìn)行分組切割實(shí)驗(yàn)，切割高度0.8mm，噴嘴口徑1mm，輔助氣體氮?dú)猓ぜ笮?0mm×50mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)安排每種厚度的板材需要進(jìn)行29次試驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2.3.1 掛渣高度試驗(yàn)

首先對(duì)材料厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量前先把表面污垢擦干凈。采用間接法，先測(cè)量工件厚度，然后測(cè)量掛渣量與工件的總體厚度，利用減法測(cè)出掛渣高度。

2.3.2 粗糙度測(cè)量試驗(yàn)

本次測(cè)量采用距下緣1/3(工件厚度)處的粗糙度為基準(zhǔn)，取樣長(zhǎng)度30mm。測(cè)量面為切割外輪廓下表面，在30mm范圍內(nèi)滑動(dòng)粗糙度測(cè)量?jī)x，通過(guò)傳感器使觸針發(fā)生位移，測(cè)量結(jié)果顯示在液晶顯示器上[6]。

2.3.3 切縫寬度以及切面條紋測(cè)量試驗(yàn)

利用超景深顯微鏡細(xì)致觀察切割形貌，通過(guò)深度合成按鈕，形成3D切割形貌，能很清晰地觀察切割形貌上凹凸情況。然后應(yīng)用比例尺，得出條紋與條紋之間的距離來(lái)反映切割形貌，還能得到切縫寬度。

3 結(jié)果分析

由于參數(shù)影響規(guī)律在不同板厚的情況下一致，因此選擇切割2mm不銹鋼進(jìn)行分析。規(guī)定A、B、C、D分別代表切割速度、切割氣壓、焦點(diǎn)、切割功率，得出實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與切割參數(shù)之間的影響規(guī)律。

3.1 掛渣量

如圖1所示為切割參數(shù)對(duì)掛渣量的影響規(guī)律，從圖中可以看出切割功率與焦點(diǎn)圖線為V字形，在一定的切割條件下，焦點(diǎn)與切割功率存在最佳范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)切割面掛渣量能達(dá)到最小，偏離最佳范圍，掛渣量都會(huì)增多。而切割速度增大會(huì)使掛渣量增多，切割氣壓增大會(huì)使掛渣減少。

圖1 掛渣量參數(shù)影響

通過(guò)兩因素交互等高線圖以及曲面圖可更形象地看出各因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)不同的影響程度[60]，如圖2所示。從圖2a看出切割功率對(duì)掛渣量的影響較為顯著且以900W為中心存在一個(gè)最佳功率，功率或大或小都會(huì)使掛渣量增多，功率過(guò)大熔融金屬未被輔助氣體完全吹干凈，功率過(guò)小熱輸入不足，熔融產(chǎn)物的溫度越低，黏度越大，有些金屬滯留在切面下緣，產(chǎn)生掛渣。調(diào)整切割氣壓的效果不如調(diào)整功率，且隨著氣壓的增大，最佳切割功率將會(huì)升高。由圖2b得知，隨著焦點(diǎn)的降低，掛渣量將有些許增多，切割速度對(duì)掛渣量的影響程度最小。由兩圖對(duì)比可知切割功率是影響掛渣量的關(guān)鍵因素，因此如果出現(xiàn)大量掛渣的切割缺陷情況，可優(yōu)先考慮調(diào)整功率。

圖2 因素交互對(duì)掛渣影響

3.2 切縫寬度

切割參數(shù)對(duì)切縫寬度的影響規(guī)律，如圖3所示。切割速度、氣壓以及焦點(diǎn)的顯著性明顯不如切割功率。切割功率變大會(huì)直接影響切縫變寬。

圖3 切縫寬度因素影響

因素交互作用對(duì)切縫寬度的影響，如圖4所示。從圖4a得知在適當(dāng)加快切割速度時(shí)切縫減小，在切割較厚的板時(shí)，切速降低，光斑停留時(shí)間長(zhǎng)，就會(huì)使材料上層的切縫寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光斑直徑。從圖4b得知焦點(diǎn)下降會(huì)使切縫略微變寬，焦點(diǎn)越深入板材會(huì)使切縫變寬。一般的，切割薄板時(shí)焦點(diǎn)處于表面，這時(shí)切縫是最窄的，但由于要求切割質(zhì)量效果好，就會(huì)把焦點(diǎn)深入板材，一般為板材厚度1/2，但這會(huì)導(dǎo)致楔形切口的產(chǎn)生，切縫變寬。切割功率對(duì)于切縫的影響是極其顯著的，功率是影響切縫寬度的關(guān)鍵因素，功率變大會(huì)使焦點(diǎn)處的集中光束能量急劇增高，材料受熱融化快，致使切縫變寬。若熔融的粘性金屬未能被氣體完全吹除，就會(huì)在切縫處自然凝固，嚴(yán)重影響切面質(zhì)量。為使切縫盡可能小，在板材允許切透的前提下，使用低功率激光器。

圖4 因素交互作用對(duì)切縫寬度影響

3.3 粗糙度

切割參數(shù)對(duì)粗糙度的影響規(guī)律如圖5所示，從圖中可以看出功率是影響粗糙度的關(guān)鍵因素。

圖5 粗糙度因素影響

切割源產(chǎn)生熱量使金屬融化在輔助氣壓的作用下，金屬材料克服表面張力和黏著拉力，大部分融化的材料被吹除，但切割邊緣仍有小部分材料附著在切割表面，就會(huì)產(chǎn)生粗糙度的問(wèn)題，因素交互作用影響規(guī)律曲面如圖6所示，可以看出焦點(diǎn)是影響粗糙度顯著的一個(gè)因素，但焦點(diǎn)也存在一個(gè)最佳范圍，只有在這個(gè)范圍內(nèi)粗糙度才會(huì)最好。在切割金屬的表面上部和下部的并不相同，越往下端粗糙度越大。一般焦點(diǎn)位置激光光束集中能量高，粗糙度最小，遠(yuǎn)離焦點(diǎn)都會(huì)增加表面粗糙度。同時(shí)功率和切割速度分別以798W和4.32m/min為中點(diǎn)存在一個(gè)最佳范圍，功率過(guò)小就會(huì)產(chǎn)生掛渣，過(guò)大就會(huì)產(chǎn)生過(guò)燒，只有在中間無(wú)缺陷區(qū)粗糙度最好。氣壓的影響程度較小。因此為了調(diào)整粗糙度，優(yōu)先調(diào)整焦點(diǎn)和功率。

圖6 因素交互作用對(duì)粗糙度影響

3.4 條紋間距

切割參數(shù)對(duì)條紋間距的影響規(guī)律如圖7所示。由圖可見(jiàn)功率和切割氣壓增大都會(huì)使條紋間距減小。

圖7 條紋間距因素影響

切割面上部條紋較細(xì)密，且無(wú)規(guī)則性[61]，因此主要研究第二層條紋，從圖8可以看出切割氣壓及激光功率是影響條紋間距的顯著因素，切割速度與焦點(diǎn)對(duì)條紋間距有輕微影響，且隨焦點(diǎn)提高，條紋間距增加。從圖8a看出隨著氣體壓力的升高條紋間距明顯減小，從圖8b看出隨著激光功率的增加，條紋間距也是明顯減小。條紋間距小，切面就越光潔，因此提高切割亮面，應(yīng)優(yōu)先考慮增大功率和增大氣壓。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析，在以掛渣量最少，切縫最窄，粗糙度最小，條紋間距最小的情況下得出切割3種不同厚度板材的最優(yōu)參數(shù)，如表2所示。

表2 最優(yōu)切割參數(shù)

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)304不銹鋼薄板進(jìn)行光纖激光切割實(shí)驗(yàn)，利用響應(yīng)曲面法得到各參數(shù)對(duì)切割指標(biāo)影響規(guī)律的等高線圖及響應(yīng)三維圖，得到以下結(jié)論：

(1)掛渣量的多少主要取決于焦點(diǎn)與功率，且兩者都存在一個(gè)最佳范圍；切縫寬度的大小主要取決于板厚與功率；粗糙度的大小主要取決于功率和焦點(diǎn)，兩者也存在一個(gè)最佳范圍；條紋間距主要取決于氣壓和功率，因此在調(diào)整切割缺陷的時(shí)候可以?xún)?yōu)先考慮調(diào)整主要因素。

(2)利用光纖激光切割304不銹鋼時(shí)最優(yōu)工藝參數(shù)為：1mm厚度不銹鋼，切割速度12.48m/min、切割氣壓2.3MPa、焦點(diǎn)-0.24mm、切割功率673W；2mm厚度不銹鋼，切割速度4.56m/min、切割氣壓2.44MPa、焦點(diǎn) -0.84mm、切割功率 833W；3mm厚度不銹鋼，切割速度2.1m/min、切割氣壓1.8MPa、焦點(diǎn)-1.63mm、切割功率1020W。

圖8 因素交互作用對(duì)條紋間距影響

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Optimized test of fiber laser cutting process for stainless steel sheet

ZHENG Lei,ZHANG Qingping
(School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong China)

The fiber laser resource has been adopted to conduct laser cutting test to the 304 stainless steel sheets with 1mm,2mm,and 3mm thickness in the text.Through software designing test,sheet cutting,data collecting,and software analysis process,the results have been expressed by use of three-dimension shape.The test shows that adhering slag quantity depends on focal point and power,both of which have one best range;the size of kerf width primarily depends on sheet thickness and power;the roughness chiefly depends on the power and focal point,both of which have a best range;the fringe gap depends on air pressure and power.Finally,the optimized parameters for the sheet with three different thickness have been obtained.

Laser cutting;304 stainless steel;Response to curved surface

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.012

1672-0121(2017)05-0041-05

2017-05-04；

2017-06-11

鄭 磊(1992-)，男，碩士在讀，主攻機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與分析。E-mail：1024214820@qq.com